Countercurrent Heat Exchange Building Envelope Using Ceramic Components

Research and development in building envelope design have promoted the convergence of two system types, Thermo-Active Building Systems and Adaptive Building Envelopes, that re- conceptualize the envelope as a distributed energy transfer function that captures, transforms, stores, and even re-distributes energy resources. The widespread deployment of Thermo-Active Building Systems as a building envelope will depend on several factors. These factors include the value of the design attributes that impact energy transfer in relation to the performance of the building envelope assembly and the return on investment that these attributes individually or in the aggregate can provide as a reduction in Energy Use Intensity. The research focus is on the design development, testing, and energy reduction potential of a Thermo-Active Building System as an adaptive countercurrent energy exchange envelope system using ceramic components: the Thermal Adaptive Ceramic Envelope

District heating systems: case study development using modelica

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015Sistemas de aquecimento de distritos são actualmente considerados uma solução viável para atingir as metas de emissões de CO2 na Europa, devido à sua capacidade de recuperar calor que seria desperdiçado e à sua compatibilidade com fontes de energia renovável. Para dimensionar estes sistemas, programas de simulação de energia em edifícios são frequentemente usados, uma vez que possibilitam uma análise prática, em termos de tempo, das necessidades de consumo do distrito. No entanto, os programas convencionais foram inicialmente desenvolvidos para endereçar edifícios a uma escala individual, o que leva a uma necessidade de desenvolvimento de programas de nova geração que permitam a integração de sistemas de maior escala. Para este efeito, o anexo 60 da agência internacional do ambiente (AIA) visa o desenvolvimento de novas ferramentas computacionais para sistemas de edifícios e comunidades em Modelica, uma linguagem que permite a modelação de processos físicos extensos, complexos e de multi-domínio. Esta dissertação está inserida na Actividade 2.2 do Anexo 60 e avalia diferentes formas de endereçar as necessidades de aquecimento e arrefecimento, utilizando como caso de estudo um bairro com 24 edifícios. A implementação em Modelica é detalhadamente descrita e uma analise de sensibilidade foi conduzida relativamente a quatro parâmetros que influenciam as necessidades anuais: Número de zonas térmicas consideradas, ganhos internos, temperatura do solo e trocas de calor entre edifícios adjacentes. Concluiu-se que as necessidades de calor são particularmente sensíveis à forma como dividimos o interior dos edifícios e às trocas de calor entre os mesmos, enquanto as necessidades de arrefecimento revelaram maior sensibilidade à forma como são modelados os ganhos internos. Finalmente, o uso do Modelica para estas aplicações foi também avaliado.As countries in Europe are focusing in reducing their CO2 emission levels, district heating systems (DHS) are considered to be a feasible solution due to their ability to re-use heat that would otherwise be wasted and their compatibility with renewable energy sources (RES). When sizing these systems, building energy simulation (BES) programs are often used as they allow a time-practical analysis of the district’s consumption needs. However, conventional BES programs were primarily designed to address buildings at an individual scale; hence the need for next-generation programs which can integrate larger scale building systems is clearly recognized. For this matter, Annex 60 (IEA EBC) is developing new computational tools for building and community energy systems using Modelica, an object-oriented modelling language for large, complex and multi-domain physical processes. This project is inserted in subtask 2.2 of Annex 60 and evaluates different ways to approach the heating and cooling needs of a neighbourhood case study. The implementation in Modelica is described in this dissertation and a sensitivity analysis was carried out regarding different levels of detail applied in four different fields that influence the annual demand: Number of thermal zones considered, internal gains, ground temperature and the heat transfer between adjacent buildings. It was concluded that the heat demand was more sensitive to the sub-zoning of the living space and the heat exchange between the buildings, while the cooling demand proved to be more sensitive to the way the internal gains are modelled. Ultimately, the use of Modelica for this application was also evaluated

District heating systems: the effect of building model complexity on heat demand prediction

Tese de mestrado integrado, Engenharia da Energia e do Ambiente, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2017As tendências recentes da distribuição populacional indicam que a grande maioria cidadãos europeus irá habitar em cidades. A elevada densidade energética característica destes aglomerados faz com que a gestão do fornecimento de energia seja, cada vez mais, uma área de grande responsabilidade, tanto ao nível da segurança energética, como da sua sustentabilidade económica e ambiental. Os edifícios são responsáveis por cerca de 40% da energia final consumida na União Europeia, sendo assim um setor com elevado potencial na promoção da eficência energética. Os sistemas de redes de calor são uma alternativa eficiente para o fornecimento de energia na forma de calor em áreas urbanas. Uma das principais vantagens desta solução, num mercado de calor em expansão, é a possibilidade de utilizar recursos energéticos que de outra maneira seriam desperdiçados ou inutilizáveis à escala de um edificio, com destaque para as energias renováveis. A possibilidade de combinação de várias fontes de energia, confere-lhe também uma elevada flexibilidade energética, tornando-se menos sensível à flutuação dos preços dos combustíveis. As centrais de cogeração, de energia eletrica e térmica, são particularmente interessantes neste tipo de aplicações, conseguindo aproveitar o calor anteriormente desperdiçado, face a uma central elétrica convencional. Para além diso, o efeito de escala e a monitorização contínua destes sistemas permite uma maior eficiência na produção de energia contribuindo assim para redução das emissões de gases de efeito de estufa. Os mais recentes desenvolvimentos nestas redes de calor incluem novas estratégias para uma maior integração de fontes de energia renováveis e melhorias na interação entre produtores e consumidores. Como foco principal está a utilização de fontes de calor e distribuição de baixa temperatura, adaptada à redução do consumo energético ao nível dos edifícios. Em resultado, a complexidade destes sistemas aumenta e a necessidade de metodologias mais detalhadas para análise e desenvolvimento torna-se ainda mais evidente. Para o efeito, o uso de modelos computacionais vem permitir e facilitar este processo mas não existe um programa que seja ao mesmo tempo, fácil de usar, rápido, flexível para simular redes e edifícios detalhadamente. As diferenças entre diferentes modelos ao nível da complexidade dos algoritmos e detalhe das variáveis influencia a qualidade e resolução dos resultados, pelo que o uso de um modelo em detrimento de um outro, pode levar a diferentes conclusões, afectando assim o planeamento de um projeto. Desta forma, a escolha do modelo mais adequado a determinado projeto deve ter em conta o tipo de sistemas que estão envolvidos, as variáveis que vão ser estudadas, os dados possíveis de adquirir e não menos importante, o tempo e recursos disponíveis. Este estudo centra-se na comparação de diferentes modelos para a previsão das necessidades de aquecimento ao nível dos edifícios. Os modelos criados foram simulados com recurso a dois programas, Dymola, com linguagem Modelica, e EnergyPlus. Modelica é uma linguagem de modelação flexivel, baseada em equações e orientada em objectos que permite a criação de modelos de sistemas complexos de diferentes domínios. A sua estrutura modular permite a fácil partilha e reutilização de modelos. As capacidades de simulação detalhada de edifícios com recurso a esta linguagem tem vindo a ser melhorada com a disponibilização de novas bibliotecas de objectos, mas a sua utilização não se torna tão prática ou direta como noutros programas especificamente desenvolvidos para o efeito, como o EnergyPlus. No entanto, as capacidades de cada programa podem ser complementadas através de co-simulação, onde ambos os programas simulam em simultâneo as necessidades de aquecimento de um edifício, denominando-se de co-simulação: o EnergyPlus encarrega-se do balanço térmico do edifício e as cargas de aquecimento são calculadas no Dymola. Foram criados três modelos com diferentes níveis de detalhe tanto ao nível dos algoritmos de cálculo como nos parâmetros de entrada: o modelo A é criado no Dymola com base no método horário simplificado da norma ISO 13790; o modelo B é criado no Dymola com base no modelo Rooms.MixedAir da biblioteca Buildings do Modelica; e o modelo C é criado em EnergyPlus e utilizado em co-simulação com o Dymola. O caso de estudo considera um pequeno bairro de cinco edifícios adjacentes de diferentes tipologias, com baixo nível de isolamento – cenário referência - , adaptado de um exercício parte do projecto IEA Annex 60. Para um dos edifícios, um bloco de escritórios com 727 m2 de área útil divididos por cinco pisos uniformes, foram definidos três cenários de reabilitação ao nível dos elementos da envolvente, opacos e envidraçados, considerando para o efeito um tipo de constução mais recente. As necessidades de aquecimento do caso referência foram obtidos a partir da simulação de todos os edifícios com o modelo A, e nos três cenários seguintes o edifício alvo foi simulado nos modelos A, B e C. As variáveis em estudo foram a necessidade energética anual [MWh] e a carga de pico [kW] de aquecimento, tendo sido também analisado o perfil destas cargas. Os resultados obtidos para o bairro no cenário de referência apresentam uma necessidade anual de 256 MWh com um pico 106.5 kW, sendo que o edifício alvo representa cerca de 30% deste consumo, com 110 kWh/m2. Como esperado a maior redução da necessidade de aquecimento foi verificada para o cenário da renovação total, cerca de -28% ao nível do bairro, resultanto de uma redução do consumo do edifício alvo de 90%, atingindo um mínimo de 9.2 kWh/m2. Nos três cenários os modelos apresentaram um boa correlação entre si à excepção do cenário de reabilitação dos envidraçados, com uma diferença de 14.3 pontos percentuais entre o modelo B e C no que diz respeito à redução do consumo anual entre os diferentes modelos. Esta variação de 37 MWh compara-se, em magnitude, a cinco vezes a necessidade energética do edificio de escritórios registado no cenário de total renovação. Com base na análise dos perfis da carga de aquecimento, concluí-se que a diferença nos resultados obtidos pode ter um impacto mais significativo se mais edifícios fossem alvo de reabilitação, com ainda maior impacto em DHS de pequena escala. A co-simulação entre os dois programas provou ser uma solução viável para otimizar a modelação de sistemas e edifícios, permitindo melhorar o processo e reduzir significativamente o tempo de simulação. Desenvolvimentos futuros deste trabalho incluem o estudo do impacto de cada modelo num sistema integrado onde sejam implementados modelos de unidade de geração recorrendo a diferentes fontes de energia. Desta forma a dinâmica do perfil do consumo dos edifícios terá maior influência no comportamento do sistema como um todo.District heating systems (DHS) are an efficient alternative for the heat supply in urban areas. One of the main advantages of this solution, in current expansion on the heat market, is the possibility of using heat resources that would otherwise be wasted on unfeasible in smaller scale. Thus, it contributes to improve the efficiency of urban energy systems and reduce CO2 emissions. Recent developments of DHS are based in new strategies for a large scale integration of renewable energy sources and improvements in the interaction between demand and supply sides, as smart thermal grids. In result, the complexity of these systems increases, and the need of comprehensive integrated approaches to analyze them is becoming even more evident. The use of computational modeling tools are used for this purpose, but there is no single tool that provides detailed, flexible and rapid prototyping for both buildings and systems. However, time and resources available in the early-design stages usually forces the use of more simplified models to calculate the heating demand, which might lead to different conclusions when compared to more detailed ones. This study presents a comparison of three different building models developed with Modelica (Dymola) and EnergyPlus, with increasing detail in both calculation algorithms and inputs to estimate the heat demand for space heating. The case study considers three retrofit scenarios, with different levels of thermal insulation, for one building in a small neighborhood. The results obtained across the three models registered a maximum variation of 14% on the annual demand and 9% kW of the peak load for the window retrofit scenario. Based on the analysis of the heat load profiles, it was concluded that the difference in the results obtained can have a higher impact on the district if more buildings were to be retrofitted, taking even more relevance in small-scale DHS

Modelling and Simulation of the Fifth-Generation District Heating and Cooling

District heating and cooling are efficient systems for distributing heat and cold in urban areas. They are a key solution for planning future urban energy-efficient systems due to their high potential for integrating renewable energy sources. The systems also play an important role in community resilience, which makes them a multidisciplinary research topic. The continuous development of these systems has now reached the fifth-generation whereby end-customers can benefit from the intrinsic synergies this generation offers. A typical Fifth-Generation District Heating and Cooling (5GDHC) system consists of connected buildings that together have simultaneous heating and cooling demands. Local heat pumps and chillers in decentralised substations modulate the low network temperature to the desired building supply temperatures. The demands are potentially balanced by the means of recovering local waste heat from chillers, while also utilising heat pumps to provide direct cooling. The heat carrier fluid in the distribution pipes can therefore flow in either direction in the so-called bidirectional low-temperature network. A balancing unit is incorporated to compensate for network energy imbalances. The exchange of energy flows is realised at different stages within the individual building and across connected buildings. Numerous factors influence the quantity and quality of the exchanged energy flows. Demand profiles in each building, the efficiency of building energy systems, and control logics of system components are some examples of these factors. Investigating this generation using traditional computational tools developed using imperative programming languages is no longer suitable due to system complexity, size variability, and changes adopted in different use cases. Modelica is a free open-source equation-based object-oriented language used for the modelling and simulation of multi-domain physical systems. Models are described by differential-algebraic and discrete equations. The mathematical relations between model variables are encapsulated inside an icon that represents the model. Different component models interface variables through standardised interfaces and connection lines. Large complex systems are composed by the visual assembly of components in a Lego-like approach. Models developed in Modelica can be easily inherited for rapid virtual prototyping and/or edited to adopt changes in the model use. This dissertation has a fourfold objective. Firstly, it demonstrates the development of a simulation model for an installed 5GDHC system located in Lund, Sweden. Secondly, it characterises the components that constitute a 5GDHC system. Thirdly, it unravels the exchange of energy flows at different system levels and describes, in a logical progression, the modelling of 5GDHC with Modelica. Fourthly, it presents ethical risk analyses of the different role-combinations that may arise in 5GDHC business models. The developed model is used in performing annual simulations and to evaluate the system performance under two different substation design cases. The results indicate that adding a direct cooling heat exchanger in each substation can reduce the electric energy consumption at both substation and system levels by about 10 and 7 %, respectively. Moreover, the annual waste heat to ambient air can be decreased by about 17 %. The dissertation fosters an ethical discourse that engages the public and all who take part in the multidisciplinary research on 5GDHC to guarantee safe operation and appropriate services. Future research will build on the models presented in this dissertation to investigate different network temperature and pressure control strategies, in addition to adopting several design concepts for balancing units and thermal energy storage systems

Countercurrent Heat Exchange Building Envelope Using Ceramic Components

Research and development in building envelope design have promoted the convergence of two system types, Thermo-Active Building Systems and Adaptive Building Envelopes, that re- conceptualize the envelope as a distributed energy transfer function that captures, transforms, stores, and even re-distributes energy resources. The widespread deployment of Thermo-Active Building Systems as a building envelope will depend on several factors. These factors include the value of the design attributes that impact energy transfer in relation to the performance of the building envelope assembly and the return on investment that these attributes individually or in the aggregate can provide as a reduction in Energy Use Intensity. The research focus is on the design development, testing, and energy reduction potential of a Thermo-Active Building System as an adaptive countercurrent energy exchange envelope system using ceramic components: the Thermal Adaptive Ceramic Envelope

A Modelica based computational model for evaluating a renewable district heating system

District heating (DH) systems are considered a viable method for mitigating long-term climate change effects, through reduction of CO2 emissions, their high conversion efficiencies and their ability to be integrated with renewable energy sources (RES). The current evolution towards sustainable DH, e.g. integration of RES, results in increased complexity and diversity during the early-design phase. In the early-design phase of DH systems a feasibility study is conducted to assess if the economic and environmental factors of the project meet the given requirements. This assessment is generally conducted with traditional district heating computational models (DHCM), utilizing a simulation language which limits the evaluation of sustainable DH systems in terms of flexibility and comprehensibility. The need for an alternative language capable of effectively modeling DH systems with integrated RES led to the use of Modelica, which offers improved flexibility, reusability as well as hierarchical and multi-domain modeling. This paper presents a case study, for the evaluation of a new DHCM analyzing its modeling capabilities and system performance, of an educational campus formed by eight institutional buildings connected to a centralized power plant, holding among others a biomass gasifier and a gas boiler. For an optimum utilization of the biomass gasifier, two power plant configurations are assessed: a biomass gasifier system with and without thermal energy storage (TES). The system performance evaluation indicates a significant increase in the utilization of the biomass gasifier with 8.2% (353 hours) compared to results obtained from the traditional DHCM. This deviation is due to a more accurate consideration of the DH thermal capacity and the space heating demand. Furthermore, the models in this DHCM enable assessments of the impact of building retrofits or climate change scenarios. Thus, the increased modeling capabilities and system performance demonstrate that this new DHCM is suitable and beneficial for early-design feasibility studies of innovative RES integrated DH systems

Detailed cross comparison of building energy simulation tools results using a reference office building as a case study

Building Energy Simulation (BES) tools play a key role in the optimization of the building system during the different phases, from pre-design through commissioning to operation. BES tools are increasingly used in research as well as in companies. New BES tools and updated versions are continuously being released. Each tool follows an independent validation process but rarely all the tools are compared against each other using a common case study. In this work, the modelling approaches of widespread dynamic simulation tools (i.e. EnergyPlus, TRNSYS, Simulink libraries CarnotUIBK and ALMABuild, IDA ICE, Modelica/Dymola and DALEC), as well as PHPP (a well-known quasi-steady-state tool), are described and the results of all the tools modelling the same characteristic office cell, defined within the IEA SHC Task 56, are compared on a monthly and hourly basis for the climates of Stockholm, Stuttgart and Rome. Unfortunately, different tools require different levels of input detail, which are often not matching with available data, hence the parametrization process highly influences the quality of the simulation results. In the current study to evaluate the deviation between the tools, frequently used statistical indices and normalization methods are analysed and the problems related to their application, in a cross-comparison of different tools, are investigated. In this regard, the deviation thresholds indicated by ASHRAE Guideline 14-2014 are used as a basis to identify results that suggest an acceptable level of disagreement between the predictions of a particular model and the outcomes of all models. The process of reaching a good agreement between all tools required several iterations and great effort on behalf of the modellers. To aid the definition of building component descriptions and future references for inter-model comparison a short history of the executed steps is presented in this work. Together with the comparison of the results of the tools, their computational cost is evaluated and an overview of the modelling approaches supported by the different tools for this case study is provided aiming to support the users in choosing a fit-for-purpose simulation tool